李潤(rùn)玲，白乙拉，榮 慧，賈 青，李志軍

（1.大連理工大學(xué) 海岸和近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116024；2.渤海大學(xué) 數(shù)理學(xué)院，遼寧 錦州 121000；3.黑龍江大學(xué) 水利電力學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150086）

大慶水庫(kù)冰表面溫度特征及其在冰工程實(shí)踐應(yīng)用方法探討

李潤(rùn)玲1，白乙拉2，榮 慧2，賈 青3，李志軍1

（1.大連理工大學(xué) 海岸和近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116024；2.渤海大學(xué) 數(shù)理學(xué)院，遼寧 錦州 121000；3.黑龍江大學(xué) 水利電力學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150086）

根據(jù)冰面熱平衡方程并以大慶紅旗泡水庫(kù)冰面觀測(cè)的氣溫、太陽(yáng)輻射、風(fēng)速、相對(duì)濕度、冰厚數(shù)據(jù)以及水庫(kù)附近安達(dá)氣象站記錄的云量、濕度和海平面氣壓數(shù)據(jù)，求解了2009/2010年度冬季的冰表面溫度，并分析了冰表面溫度特征及其同太陽(yáng)輻射之間的關(guān)系、同氣溫、風(fēng)速之間的響應(yīng)關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，就傳統(tǒng)考慮的抗冰工程設(shè)計(jì)所需的設(shè)計(jì)冰表面溫度進(jìn)行了評(píng)估；就日益增加的安全用冰工程設(shè)計(jì)所需冰表面溫度取值也給予定量討論；對(duì)氣候變化下的冰內(nèi)和冰下水體生態(tài)適應(yīng)問(wèn)題所需的冰面溫度日內(nèi)變化速率和開(kāi)河期冰凌爆破所需冰表面溫度的取值也進(jìn)行探索。盡管受?chē)?guó)際氣象資料觀測(cè)規(guī)定的限制，歷史資料的應(yīng)用存在利用接近觀測(cè)時(shí)刻資料的事實(shí)，但仍然期望這些分析和討論能夠推動(dòng)科學(xué)地、更廣闊地應(yīng)用冰表面溫度。

淡水冰；表面溫度；氣溫；冰工程；冰生態(tài)

1 研究背景

隨著氣候變暖，地表冰發(fā)生著諸多形式的變化，但國(guó)人依賴(lài)于冰的活動(dòng)卻有增無(wú)減。除了眾所周知的冰凌對(duì)固定式或浮式結(jié)構(gòu)物（如渤海結(jié)冰區(qū)的海上平臺(tái)［1］、沿岸港口［2］、電廠［3］；冰區(qū)航行的船舶［4］）的作用外，突發(fā)性結(jié)冰給渤海、北方冬季水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)也帶來(lái)了重大經(jīng)濟(jì)損失［5］。另外，越來(lái)越多的國(guó)人喜好冰上娛樂(lè)活動(dòng)和冰上交通，它們也增加了不穩(wěn)定冰期時(shí)的安全風(fēng)險(xiǎn)［6］。這意味著在冰凌對(duì)水工和海洋結(jié)構(gòu)物破壞的防御問(wèn)題之外，又增加了冬季冰面交通、垂釣和其它娛樂(lè)的冰上活動(dòng)安全問(wèn)題；以及渤海和北方冰下水體中的水產(chǎn)養(yǎng)殖安全越冬問(wèn)題。這些將冰應(yīng)用領(lǐng)域由傳統(tǒng)的冰防范拓展到了安全利用冰以及冰內(nèi)及冰下水內(nèi)生態(tài)等新領(lǐng)域。冰內(nèi)溫度取決于冰表面溫度和底面溫度，一般低氣溫和低冰溫發(fā)生在沒(méi)有太陽(yáng)輻射和冰面放熱的凌晨［7］；而高氣溫、高冰溫發(fā)生在凈輻射最高的午后。另外，極端氣象事件的頻繁發(fā)生，導(dǎo)致突變的風(fēng)、氣溫的不規(guī)律變化，也成為不可忽視的因子。對(duì)于以上各種情況，利用冰面熱平衡方程計(jì)算包含輻射、風(fēng)速、氣溫、冰厚在內(nèi)的冰表面溫度是最可靠的。然后再針對(duì)工程應(yīng)用的不同特殊條件，探索利用冰面熱平衡方程的計(jì)算結(jié)果建立起簡(jiǎn)化的冰表面、冰內(nèi)極端溫度表達(dá)方式。本文依照上述思想，結(jié)合在黑龍江大慶紅旗泡水庫(kù)2009—2010年的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)氣溫、輻射、風(fēng)速、冰厚，以及距水庫(kù)較近的安達(dá)氣象站有關(guān)云量和海平面氣壓數(shù)據(jù)，模擬計(jì)算出2009.12.1—2010.2.10水庫(kù)冰表面溫度時(shí)間系列。在此基礎(chǔ)上，探討冰表面溫度變化特征和最低、最高冰表面溫度的取值方法，和如何依此作為確定抗冰工程、安全用冰工程、冰下環(huán)境和生態(tài)、冰凌爆破的科學(xué)依據(jù)。

2 表面熱平衡方程及其物理量的計(jì)算方法

有關(guān)靜態(tài)水體（湖泊、水庫(kù)、水塘、養(yǎng)殖池）的冰生消過(guò)程有許多研究，其中冰內(nèi)溫度就是研究的一部分內(nèi)容。國(guó)際上有些模式簡(jiǎn)化了湖水混合層熱力學(xué)的過(guò)程，并將其與日常氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)和氣候預(yù)報(bào)模式結(jié)合，模擬出湖水全年的熱力學(xué)過(guò)程及對(duì)氣候的影響［8-9］。2012年楊宇等以雪/冰表面溫度和氣溫變化之間的時(shí)滯為辨識(shí)參量；以計(jì)算的雪/冰表面溫度和觀測(cè)皮溫之差值為目標(biāo)函數(shù)，建立了最優(yōu)辨識(shí)模型，獲得芬蘭湖冰雪/冰表面溫度和氣溫之間時(shí)滯的最優(yōu)變化過(guò)程［10］。這套計(jì)算方法后被引用到計(jì)算中國(guó)東北冰的表面溫度。中國(guó)北方干燥，冬季降雪較少。冰表面熱平衡方程的一般表達(dá)式是：

式中：α為冰表面反照率；QS為入射短波輻射；I0為穿過(guò)表層進(jìn)入冰內(nèi)的短波輻射；Tsfc為冰表面溫度；Qd、Qb分別為入射長(zhǎng)波輻射和反射長(zhǎng)波輻射；Qh為感熱通量；Ql為潛熱通量；Fc為由冰內(nèi)傳遞到冰面的熱通量；Fm為冰面融化的熱通量。所有通量均是以指向冰表面方向?yàn)檎?。?jì)算表面熱通量和表面溫度需要的氣象參數(shù)有風(fēng)速（Va）、氣溫（Ta）、相對(duì)濕度（r）、云量（CN）。圍繞式（1），需要通過(guò)式（2）—式（11）計(jì)算所需物理參量。

反照率計(jì)算形式為：

式中：F+為反輻射；F-為總輻射。

選取Efimova的入射長(zhǎng)波輻射參數(shù)化方案和Jocobs給出的云量對(duì)長(zhǎng)波輻射的影響，作為入射長(zhǎng)波輻射（Qd）參數(shù)化方案；并根據(jù)Stefan-Boltzmann輻射定律，反射長(zhǎng)波輻射（Qb）是表面溫度的函數(shù)，則：

式中：σs為Stefan-Boltzmann常數(shù)，5.68×10-8；e1為表面水蒸氣壓力；ε為表面輻射率；CN為總云量。

式中：r為相對(duì)濕度；e為飽和水氣壓。

利用觀測(cè)的氣溫?cái)?shù)據(jù)可以計(jì)算出飽和水氣壓：

式中Ta為氣溫。

湍流通量包括感熱通量和潛熱通量，它們分別由式（7）和式（8）計(jì)算：

式中：ρa(bǔ)為空氣密度；ca為空氣比熱；Rl為蒸發(fā)焓；CH和CE分別為感熱交換系數(shù)和潛熱交換系數(shù)；Va為風(fēng)速；qa為空氣的比濕；qsfc為冰表面比濕。

計(jì)算比濕的公式為：

式中：p0為海平面氣壓，分別用Ta、Tsfc代入式（6）和式（9）進(jìn)而計(jì)算出qa、qsfc。

冰表面熱傳導(dǎo)通量為：

式中：ki為冰的熱傳導(dǎo)系數(shù)；tf為冰點(diǎn)；h為冰厚度，根據(jù)觀測(cè)的冰厚數(shù)據(jù)可以計(jì)算出熱傳導(dǎo)通量。由于冬季結(jié)冰期的氣溫很低，認(rèn)為不會(huì)發(fā)生冰表面融化。因此，假設(shè)：m

3 基于大慶水庫(kù)冬季數(shù)據(jù)的冰表面溫度

求解冰表面熱平衡方程需要?dú)庀蠛捅^測(cè)數(shù)據(jù)。2008年12月26日至2009年4月9日和2009年11月26日至2010年4月17日，在紅旗泡水庫(kù)庫(kù)區(qū)距離南站約150m的冰面上安裝自動(dòng)氣象站［11］，并開(kāi)展冰物理現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查。本文選用的數(shù)據(jù)有：2009/2010年度冰上氣溫、風(fēng)速、太陽(yáng)總輻射和太陽(yáng)反輻射；近冰表面及冰層內(nèi)部溫度、冰層厚度。另外，從中國(guó)氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng)下載離紅旗泡水庫(kù)較近的安達(dá)氣象站云量、海平面氣壓、相對(duì)濕度數(shù)據(jù)。

由于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng)上提供的云量、海平面氣壓、相對(duì)濕度的時(shí)間間隔為6 h；現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)氣溫、風(fēng)速、太陽(yáng)總輻射和太陽(yáng)反輻射的時(shí)間間隔為1 m in；現(xiàn)場(chǎng)冰層厚度記錄時(shí)間間隔為15m in，為此需要建立一個(gè)對(duì)應(yīng)30m in，處在半點(diǎn)的數(shù)據(jù)集。對(duì)中國(guó)氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng)的數(shù)據(jù)，利用三次樣條插值的方法，把每日00∶00、06∶00、12∶00、18∶00四個(gè)時(shí)間點(diǎn)的數(shù)據(jù)，插值成每30min的數(shù)據(jù)。把現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)，挑選出對(duì)應(yīng)的每30m in數(shù)據(jù)。從2009年12月1日到2010年2月10日，共有2 814組數(shù)據(jù)。求解大慶水庫(kù)冰表層溫度需要的其他參數(shù)，根據(jù)文獻(xiàn)收集并匯總于表1。

選取正割迭代法對(duì)冰表面熱平衡方程求解，得到對(duì)應(yīng)的2 814組數(shù)據(jù)所在時(shí)刻的冰表面溫度。其中圖1選取了2009年12月1日至2009年12月31日1 249組輻射、氣溫、冰表面溫度，給出它們的時(shí)間變化曲線。

由圖1可以發(fā)現(xiàn)：隨著氣溫的波動(dòng)，冰表面溫度也隨之波動(dòng)；冰表面溫度、氣溫和凈輻射之間存在明顯的周期性變化，變化周期為一日。其中凈輻射的周期規(guī)律較為突出，其次是冰表面溫度和氣溫。三者之間的峰值發(fā)生時(shí)間的一般規(guī)律是凈輻射峰值出現(xiàn)時(shí)間早于冰表面溫度；冰表面溫度早于氣溫。也就是說(shuō)，太陽(yáng)輻射是冰表面溫度的控制因子，它的強(qiáng)烈輻射引起冰表面溫度的“滯后”響應(yīng)。氣溫同樣控制冰表面溫度，但受凈輻射和風(fēng)的影響，冰表面溫度對(duì)輻射和風(fēng)的“響應(yīng)”敏捷于氣溫。因此，冰表面溫度稍早于氣溫，兩者的時(shí)間差相對(duì)較小，而輻射的峰值相對(duì)于冰表面溫度較早出現(xiàn)。同樣，圖1還可以分析谷值冰表面溫度和谷值氣溫的特征。所獲得的谷值冰表面溫度和谷值氣溫之間的時(shí)差。而凌晨谷值氣溫發(fā)生的時(shí)間集中在凌晨7∶30，見(jiàn)圖2。兩者相差1.5 h；而太陽(yáng)輻射的平均峰值發(fā)生在12∶00，每日平均最高氣溫則發(fā)生在14∶00，滯后2.0 h。在16∶00至次日7∶00期間，太陽(yáng)輻射基本為零。

表1 計(jì)算大慶紅旗泡水庫(kù)冰表面溫度的相關(guān)參數(shù)取值匯總表

圖1 2009年12月冰面觀測(cè)氣溫、凈輻射和計(jì)算冰表面溫度歷時(shí)過(guò)程

4 冰表面溫度與冰溫關(guān)系及其在冰工程實(shí)踐應(yīng)用的方法商榷

從冰工程角度出發(fā)，冰基礎(chǔ)科學(xué)參數(shù)有冰厚度和冰強(qiáng)度。而冰強(qiáng)度的主要控制因子是冰溫度，因此提供冰工程活動(dòng)科學(xué)參數(shù)，就需要給出冰的溫度［12-13］。

在特定溫度環(huán)境中，冰內(nèi)的熱質(zhì)趨于平衡。如果冰內(nèi)部不存在熱源，則冰內(nèi)溫度呈線性分布，但在冰表面升溫和降溫中，冰內(nèi)熱傳導(dǎo)引起冰內(nèi)溫度出現(xiàn)“熱中間層”或者“冷中間層”［14］。冰工程問(wèn)題，往往考慮的是極限環(huán)境，因此假設(shè)冰溫度在冰內(nèi)線性分布，然后采用分層處理［12］或者直接處理［7］。

分層處理由Timco和Frederking（1990）提出，并應(yīng)用在冰層壓縮強(qiáng)度評(píng)估上［12］。其處理思想在渤海引用［7］，具體步驟是：通過(guò)氣溫、水溫、冰厚和冰期將平整冰層分為若干小層，確定每小層的冰溫度、鹽度、密度，計(jì)算該層的孔隙率，然后計(jì)算對(duì)應(yīng)力學(xué)參數(shù)。取各小層力學(xué)參數(shù)的平均值作為平整冰層的力學(xué)指標(biāo)。文獻(xiàn)［12］指出把平整冰層分為9層獲得的南極平整冰層壓縮強(qiáng)度具有較高精度，并且計(jì)算的強(qiáng)度值收斂。假設(shè)平整冰層溫度剖面每一小層的平均溫度均由表面至底面呈線性分布，第n層的冰溫θn（n=1代表最表層）由式（12）計(jì)算：

圖2 最低氣溫凌晨出現(xiàn)時(shí)刻統(tǒng)計(jì)

式中：θB為平整冰層底面溫度，等于水溫；θs為冰層夜間表面溫度。

4.1 在抗冰工程中的應(yīng)用在抗冰工程中，采用冰作用力上限，即設(shè)計(jì)中需要考慮冰強(qiáng)度高的冰凌上限作用力［13］。根據(jù)圖1和式（1）可知，冰表面溫度最低情況出現(xiàn)在太陽(yáng)輻射為零、風(fēng)速最大的環(huán)境條件。為了覆蓋在冬季出現(xiàn)的這些條件，分析使用了2009年12月1日至2010年2月10日的氣象站規(guī)定觀測(cè)時(shí)間的觀測(cè)數(shù)據(jù)和計(jì)算數(shù)據(jù)，共計(jì)258組。這些數(shù)據(jù)既覆蓋了整個(gè)冬季的觀測(cè)時(shí)間，又不失去分析問(wèn)題的能力。為了獲得最低溫度，圖3選擇了凈輻射接近0的18∶00，0∶00和6∶00的數(shù)據(jù)并獲得冰表面溫度和氣溫之間的關(guān)系。從圖3可以發(fā)現(xiàn)輻射影響并不存在，但風(fēng)速的作用仍然存在，即圖3中數(shù)據(jù)點(diǎn)的分散原因。而且風(fēng)速越大，表面溫度越接近氣溫。為此對(duì)這批輻射接近0的數(shù)據(jù)（192組）進(jìn)行氣溫、風(fēng)速對(duì)冰表面溫度影響的統(tǒng)計(jì)分析，得到式（13）。

根據(jù)冬季大慶水庫(kù)記錄數(shù)據(jù)出現(xiàn)的最大風(fēng)速為10m/s，將其代入式（13），得到圖3的虛線。該虛線即為抗冰工程設(shè)計(jì)時(shí)需要的冰表面設(shè)計(jì)溫度。它所對(duì)應(yīng)的冰內(nèi)溫度應(yīng)該也較低，相應(yīng)的冰強(qiáng)度高。在文獻(xiàn)［7］中，采用了抗冰結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)冰溫取凌晨氣溫等于冰表面溫度的估算，這種作法相當(dāng)于認(rèn)為在無(wú)輻射且風(fēng)速最大條件下，最低的表層氣溫等于氣溫的情況。但事實(shí)上，根據(jù)圖3，在0～-13℃的時(shí)候，這個(gè)作法偏于冒險(xiǎn)；在-13～-23℃時(shí)較好；而在低于-23℃時(shí)偏于保守。也就是說(shuō)，對(duì)于冬季氣溫較高的結(jié)冰區(qū)域，這個(gè)估算做法具有風(fēng)險(xiǎn)。

文獻(xiàn)［13］指出對(duì)于橋墩上的冰作用力，主要是春季流凌擠壓作用力，它與每年3～4月份開(kāi)河時(shí)的冰溫有關(guān)，但是每年開(kāi)河時(shí)的冰溫分布有差異，需要選擇數(shù)年觀測(cè)數(shù)據(jù)中最低冰溫為依據(jù)。事實(shí)上，為了抗冰結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)，要根據(jù)結(jié)構(gòu)物重現(xiàn)期，分析歷史上的開(kāi)河日，在統(tǒng)計(jì)開(kāi)河日的基礎(chǔ)上，統(tǒng)計(jì)這段時(shí)間的氣溫，用統(tǒng)計(jì)方法確定相同重現(xiàn)期的氣溫，再進(jìn)而確定相同重現(xiàn)期的冰溫，用冰力學(xué)參數(shù)同冰溫的關(guān)系，確定冰力學(xué)參數(shù)［7］。

圖3 2009/2010年度冬季夜間冰表面溫和氣溫之間關(guān)系

4.2 在安全用冰工程中的應(yīng)用冰工程的另一種情況是利用冰，如冰上交通，冰上娛樂(lè)等，它們將冰作為承載“地基”。因此，只有選擇冰溫高、強(qiáng)度低的下限冰承載力，才能保證它使用期間的安全［15］。這時(shí)應(yīng)該取凈輻射最大，風(fēng)速接近0m/s時(shí)的冰表面溫度作為設(shè)計(jì)冰溫依據(jù)，然后再評(píng)估冰的強(qiáng)度。因此，利用2009年12月1日至2010年2月10日中午12點(diǎn)的觀測(cè)和計(jì)算數(shù)據(jù)繪制圖4。圖中實(shí)心點(diǎn)是夜間無(wú)輻射時(shí)的計(jì)算冰表面溫度，它受到風(fēng)速的影響；圖中空心點(diǎn)是中午12點(diǎn)時(shí)的數(shù)據(jù)，它既受到風(fēng)速的影響，又受到輻射的影響。根據(jù)大慶觀測(cè)數(shù)據(jù)，將風(fēng)速低于2m/s的視為無(wú)風(fēng)，實(shí)測(cè)最大凈輻射為180W/m2，分析得到氣溫低于-17℃的實(shí)線段。另外，計(jì)算冰表面溫度中，有些受到感熱影響，計(jì)算值大于冰點(diǎn)溫度，即高于淡水冰的冰點(diǎn)溫度0℃，這屬于物理上不合理的數(shù)據(jù)。這種情況下，設(shè)計(jì)溫度取冰點(diǎn)溫度0℃。因此，在安全用冰工程中的設(shè)計(jì)冰表面溫度由圖4的二段實(shí)線構(gòu)成。

事實(shí)上，冰上活動(dòng)多數(shù)處于穩(wěn)定盛冰期，而防凌處于不穩(wěn)定的流冰期。一般冰上活動(dòng)時(shí)段的氣溫低、冰溫低，但是冰上活動(dòng)往往是臨時(shí)性的，沒(méi)有重現(xiàn)期的概念。在黑龍江的冰道承載力估算中，只使用當(dāng)日和前三日的氣溫資料評(píng)估［16］。這些評(píng)估也沒(méi)有將輻射考慮在內(nèi)，2011年中國(guó)學(xué)者才提出考慮靜態(tài)和動(dòng)態(tài)水體冰生消中的太陽(yáng)輻射影響［17］。它雖然沒(méi)有分解出對(duì)冰表面溫度的貢獻(xiàn)，但考慮了對(duì)冰厚度的貢獻(xiàn)。另外，關(guān)于河流冰下流速對(duì)冰厚度的貢獻(xiàn)也有半經(jīng)驗(yàn)公式［18］，這些為推動(dòng)冰道承載力的精確評(píng)估提供開(kāi)端。

4.3 在結(jié)冰環(huán)境下生態(tài)中的應(yīng)用對(duì)于冰內(nèi)和冰下水環(huán)境和生態(tài)而言，既需要考慮極端低冰溫下，也需要考慮極端高冰溫下的冰內(nèi)和水體溫度、溶解氧、太陽(yáng)穿透冰層的輻照度。在極地惡劣環(huán)境中的生態(tài)問(wèn)題已有努力［19］，在中國(guó)北方水產(chǎn)養(yǎng)殖方面也有經(jīng)驗(yàn)報(bào)道［20-21］。因此，一些學(xué)者啟動(dòng)了低溫環(huán)境模擬冰下水環(huán)境條件的日變化幅度對(duì)控制水生生物的適應(yīng)性能力和響應(yīng)方面的科學(xué)試驗(yàn)。

由于冰內(nèi)溫度在二個(gè)代表性極端環(huán)境的上下限區(qū)域內(nèi)（圖4的實(shí)線和虛線）變動(dòng)，結(jié)冰后，冰內(nèi)和冰下水溫出現(xiàn)24 h周期變化，這種變化影響到水生動(dòng)物的適應(yīng)性，因此不僅冰溫是影響因子，而且冰溫的變化速率更是重要。圖5在圖4的基礎(chǔ)上，增加依據(jù)這二條極端冰表層溫度上下限曲線所計(jì)算的冰內(nèi)溫差變化率。

圖4 2009/2010年度冬季冰表面溫度同氣溫之間關(guān)系

圖5 2009/2010年度冬季冰表面最低、最高溫度和冰內(nèi)溫差日變化率同氣溫之間關(guān)系

依此希望圖5成為指導(dǎo)冰區(qū)和冰下生態(tài)環(huán)境研究的思路之一，但其根本思想是作為生態(tài)適應(yīng)方面的溫度和溫度變化率效應(yīng)的基礎(chǔ)。在這種思路下，溫度調(diào)查是基礎(chǔ)。這也可以同中國(guó)學(xué)者近幾年已經(jīng)積累的結(jié)冰環(huán)境中的冰下水溫和冰下水質(zhì)環(huán)境成果［22-23］，開(kāi)展對(duì)接嘗試。

另一個(gè)與冰溫度變化率有關(guān)的應(yīng)用是春季冰對(duì)水庫(kù)護(hù)坡的熱膨脹作用力問(wèn)題［24］。它如同抗冰問(wèn)題，是發(fā)生在冰層升溫階段的現(xiàn)象，而生態(tài)問(wèn)題是發(fā)生在整個(gè)冰期，特別是穩(wěn)定的盛冰期。

4.4 在冰凌爆破中的應(yīng)用冰凌爆破屬于黃河防凌的傳統(tǒng)措施之一，直到21世紀(jì)初，冰凌爆破再次“升溫”，其中除了發(fā)展新型火力外，還將爆破效果同冰力學(xué)性質(zhì)聯(lián)系起來(lái)［25］，因此爆破效果也同冰溫聯(lián)系起來(lái)。

對(duì)于冰凌爆破，它類(lèi)同于冰管理，與實(shí)施爆破當(dāng)時(shí)冰性質(zhì)有關(guān)。但實(shí)踐中，有幾條事實(shí)考慮，使得冰表面溫度得以簡(jiǎn)化。首先，盡管實(shí)施爆破可以不受時(shí)間限制，但實(shí)際操作在白天，也就是存在太陽(yáng)輻射對(duì)冰表面溫度影響。在白天時(shí)間，無(wú)論有風(fēng)和無(wú)風(fēng)都可以實(shí)施，因此白天最大風(fēng)速和最小風(fēng)速對(duì)應(yīng)的冰表面溫度決定了變化范圍。另外，冰凌爆破是開(kāi)河期間出現(xiàn)險(xiǎn)情時(shí)的應(yīng)急措施，這就規(guī)定了當(dāng)時(shí)的氣溫不會(huì)很低。圖6中的實(shí)線對(duì)應(yīng)午間無(wú)風(fēng)時(shí)的最強(qiáng)輻射影響下的冰表面溫度；虛線則對(duì)應(yīng)風(fēng)速最大且無(wú)輻射時(shí)的冰表面溫度。三角形的最低溫度直線對(duì)應(yīng)氣溫-10℃，該溫度是發(fā)生開(kāi)河時(shí)的最低氣溫。它們所構(gòu)成的三角形內(nèi)部范圍是冰凌爆破的關(guān)心區(qū)。

冰凌爆破的冰溫評(píng)價(jià)則建議直接依據(jù)冰表面熱平衡方程計(jì)算的三角形區(qū)域內(nèi)的冰表面溫度結(jié)果。由于冰底面溫度和冰厚度也是影響爆破效果的因子，同時(shí)建議未來(lái)考慮冰下水流的貢獻(xiàn)。

圖6 2009/2010年度冬季冰表面白天最低、最高溫度同氣溫之間關(guān)系以及冰凌爆破應(yīng)用區(qū)

5 討論與結(jié)論

根據(jù)連續(xù)記錄數(shù)據(jù)分析得到一些基本規(guī)律，但在工程實(shí)踐中目前存在資料使用的限制。歷史氣象數(shù)據(jù)記錄采用國(guó)際準(zhǔn)則，即北京時(shí)間0∶00，6∶00，12∶00，18∶00四次觀測(cè)。即使是采用連續(xù)記錄數(shù)據(jù)，一般公開(kāi)的仍然是這四次數(shù)據(jù)。這些時(shí)刻不對(duì)應(yīng)分析得到的輻射和氣溫極值時(shí)刻，如果需要考慮重現(xiàn)期，就必須使用歷史數(shù)據(jù)，無(wú)法回避這一事實(shí)，只好選擇與四次觀測(cè)時(shí)間相近的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。因此，在未來(lái)，需要思考二件工作，一是增加自動(dòng)記錄設(shè)備投入；二是建立修正歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)關(guān)系。

由于淡水冰封凍后徹底失去氣-水交換，盡管淡水結(jié)冰區(qū)最低氣溫主要發(fā)生在凌晨7∶30，使用凌晨6∶00觀測(cè)氣溫作為冰面溫度存在局限性。因此，針對(duì)渤海工程海冰提出的利用凌晨氣溫作為冰表面溫度對(duì)于結(jié)冰淡水水庫(kù)、水池，河流不完全適宜。盡量利用連續(xù)觀測(cè)資料建立起不同時(shí)間之間氣溫分布統(tǒng)計(jì)關(guān)系，然后再利用歷史6∶00資料并給予修正。

抗冰工程需要對(duì)應(yīng)時(shí)間的最低冰表面溫度，即沒(méi)有輻射和風(fēng)速最大條件下對(duì)應(yīng)冰表面溫度狀況，重點(diǎn)關(guān)心凌汛期。另外，如果抗冰結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)需要重現(xiàn)期，凌汛期的氣溫也需要考慮到重現(xiàn)期。對(duì)于春季的冰熱膨脹引起的冰對(duì)結(jié)構(gòu)物作用，必須使用溫度變化率。安全用冰工程需要考慮應(yīng)用期間的最高冰表面溫度，它對(duì)應(yīng)輻射最大和風(fēng)速最小條件下的冰表面溫度，重點(diǎn)關(guān)心盛冰期；冰內(nèi)和冰下生態(tài)需要的是最高和最低溫差以及溫差變化率，重點(diǎn)關(guān)注盛冰期；冰凌爆破則需要白天有風(fēng)和無(wú)風(fēng)環(huán)境條件下的冰表面溫度，只需要關(guān)注流凌期。

首先利用冰表面熱平衡方程計(jì)算數(shù)據(jù)，然后簡(jiǎn)化給出針對(duì)不同涉冰領(lǐng)域的冰表面溫度同氣溫的關(guān)系。這些關(guān)系可望成為未來(lái)將氣候變化下的氣溫變化引入到實(shí)踐應(yīng)用中的基礎(chǔ)。

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LI Runling1，BAI Yila2，RONG Hui2，JIA Qing3，LI Zhijun1

（1.State Key Laboratory of Coastaland Offshore Engineering，Dalian University of Technology，Dalian 116024，China；2.DepartmentofMathematics，BohaiUniversity，Jinzhou 121000，China；3.College ofWater Conservancy and Electric Power，Heilongjiang University，Harbin 150086，China）

Discussions on the features of icesurface temperature in Daqing Reservoir and the methods of their practical utilizations in differentice engineering

The ice surface temperature in the winter of 2009/2010 was solved by using ice surface heat bal?ance equation，measured data of air temperature，solar radiation，wind speed，relative hum idity and ice thick?ness at Daqing reservoir，and recorded cloud cover，humidity and sea-level pressure at Anda Weather Sta?tion.The relationships between ice surface temperature and solar radiation，and air temperature，wind speed were analyzed.Based on these relationships，the ice surface temperature needed for traditional ice-resistance engineering was evaluated；the icesurface temperature used on safe ice-utilization engineering was quantita?tively discussed；daily variation of ice surface temperature in ecological adaptation in ice and under ice-cov?ering water in the climate changes，and the range of ice surface temperature used on ice blasting during iceflood periods were studied.In spit of the fact using the history data near the four observation times in practices because of international rules on weather observations，these analyzed relations are expected to pro?mote scientific and more practical utilizations on ice surface temperature in ice concerned engineering.

freshwater ice；surface temperature；air temperature；ice engineering；ice ecology

P338；X43

Adoi：10.13244/j.cnki.jiwhr.2015.04.006

11672-3031（2015）04-0277-08

（責(zé)任編輯：李福田）

2015-02-28

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（41376186）；大連理工大學(xué)海岸和近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金項(xiàng)目（LP1217）；黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（12531509）

李潤(rùn)玲（1979-），女，河北張家口人，博士生，從事冰下水體環(huán)境和生態(tài)研究。E-mail：lirunlings@mail.d lut.edu.cn

李志軍（1960-），男，河北崇禮人，教授，博士，從事冰物理和力學(xué)性質(zhì)研究。E-mail：lizhijun@dlut.edu.cn